Java 高并发之设计模式
本文主要讲解几种常见并行模式, 具体目录结构如下图.
单例
单例是最常见的一种设计模式, 一般用于全局对象管理, 比如xml配置读写之类的.
一般分为懒汉式, 饿汉式.
懒汉式: 方法上加synchronized
1 public static synchronized Singleton getInstance() {
2 if (single == null) {
3 single = new Singleton();
4 }
5 return single;
6 }这种方式, 由于每次获取示例都要获取锁, 不推荐使用, 性能较差
懒汉式: 使用双检锁 + volatile
1 private volatile Singleton singleton = null;
2 public static Singleton getInstance() {
3 if (singleton == null) {
4 synchronized (Singleton.class) {
5 if (singleton == null) {
6 singleton = new Singleton();
7 }
8 }
9 }
10 return singleton;
11 }本方式是对直接在方法上加锁的一个优化, 好处在于只有第一次初始化获取了锁.
后续调用getInstance已经是无锁状态. 只是写法上稍微繁琐点.
至于为什么要volatile关键字, 主要涉及到jdk指令重排, 详见之前的博文: Java内存模型与指令重排
懒汉式: 使用静态内部类
1 public class Singleton {
2 private static class LazyHolder {
3 private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
4 }
5 private Singleton (){}
6 public static final Singleton getInstance() {
7 return LazyHolder.INSTANCE;
8 }
9 }该方式既解决了同步问题, 也解决了写法繁琐问题. 推荐使用改写法.
缺点在于无法响应事件来重新初始化INSTANCE.
饿汉式
1 public class Singleton1 {
2 private Singleton1() {}
3 private static final Singleton1 single = new Singleton1();
4 public static Singleton1 getInstance() {
5 return single;
6 }
7 }缺点在于对象在一开始就直接初始化了.
Future模式
该模式的核心思想是异步调用. 有点类似于异步的ajax请求.
当调用某个方法时, 可能该方法耗时较久, 而在主函数中也不急于立刻获取结果.
因此可以让调用者立刻返回一个凭证, 该方法放到另外线程执行,
后续主函数拿凭证再去获取方法的执行结果即可, 其结构图如下
通过FutureTask实现
注意其中两个耗时操作.
- 如果doOtherThing耗时2s, 则整个函数耗时2s左右.
- 如果doOtherThing耗时0.2s, 则整个函数耗时取决于RealData.costTime, 即1s左右结束.
1 public class FutureDemo1 {
2
3 public static void main(String[] args) throws InterruptedException, ExecutionException {
4 FutureTask<String> future = new FutureTask<String>(new Callable<String>() {
5 @Override
6 public String call() throws Exception {
7 return new RealData().costTime();
8 }
9 });
10 ExecutorService service = Executors.newCachedThreadPool();
11 service.submit(future);
12
13 System.out.println("RealData方法调用完毕");
14 // 模拟主函数中其他耗时操作
15 doOtherThing();
16 // 获取RealData方法的结果
17 System.out.println(future.get());
18 }
19
20 private static void doOtherThing() throws InterruptedException {
21 Thread.sleep(2000L);
22 }
23 }
24
25 class RealData {
26
27 public String costTime() {
28 try {
29 // 模拟RealData耗时操作
30 Thread.sleep(1000L);
31 return "result";
32 } catch (InterruptedException e) {
33 e.printStackTrace();
34 }
35 return "exception";
36 }
37
38 }通过Future实现
与上述FutureTask不同的是, RealData需要实现Callable接口
1 public class FutureDemo2 {
2
3 public static void main(String[] args) throws InterruptedException, ExecutionException {
4 ExecutorService service = Executors.newCachedThreadPool();
5 Future<String> future = service.submit(new RealData2());
6
7 System.out.println("RealData2方法调用完毕");
8 // 模拟主函数中其他耗时操作
9 doOtherThing();
10 // 获取RealData2方法的结果
11 System.out.println(future.get());
12 }
13
14 private static void doOtherThing() throws InterruptedException {
15 Thread.sleep(2000L);
16 }
17 }
18
19 class RealData2 implements Callable<String>{
20
21 public String costTime() {
22 try {
23 // 模拟RealData耗时操作
24 Thread.sleep(1000L);
25 return "result";
26 } catch (InterruptedException e) {
27 e.printStackTrace();
28 }
29 return "exception";
30 }
31
32 @Override
33 public String call() throws Exception {
34 return costTime();
35 }
36 }另外Future本身还提供了一些额外的简单控制功能, 其API如下
1 // 取消任务
2 boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning);
3 // 是否已经取消
4 boolean isCancelled();
5 // 是否已经完成
6 boolean isDone();
7 // 取得返回对象
8 V get() throws InterruptedException, ExecutionException;
9 // 取得返回对象, 并可以设置超时时间
10 V get(long timeout, TimeUnit unit)
11 throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;生产消费者模式
生产者-消费者模式是一个经典的多线程设计模式. 它为多线程间的协作提供了良好的解决方案。
在生产者-消费者模式中，通常由两类线程，即若干个生产者线程和若干个消费者线程。
生产者线程负责提交用户请求，消费者线程则负责具体处理生产者提交的任务。
生产者和消费者之间则通过共享内存缓冲区进行通信, 其结构图如下
PCData为我们需要处理的元数据模型, 生产者构建PCData, 并放入缓冲队列.
消费者从缓冲队列中获取数据, 并执行计算.
生产者核心代码
1 while(isRunning) {
2 Thread.sleep(r.nextInt(SLEEP_TIME));
3 data = new PCData(count.incrementAndGet);
4 // 构造任务数据
5 System.out.println(data + " is put into queue");
6 if (!queue.offer(data, 2, TimeUnit.SECONDS)) {
7 // 将数据放入队列缓冲区中
8 System.out.println("faild to put data : " + data);
9 }
10 }消费者核心代码
1 while (true) {
2 PCData data = queue.take();
3 // 提取任务
4 if (data != null) {
5 // 获取数据, 执行计算操作
6 int re = data.getData() * 10;
7 System.out.println("after cal, value is : " + re);
8 Thread.sleep(r.nextInt(SLEEP_TIME));
9 }
10 }生产消费者模式可以有效对数据解耦, 优化系统结构.
降低生产者和消费者线程相互之间的依赖与性能要求.
一般使用BlockingQueue作为数据缓冲队列, 他是通过锁和阻塞来实现数据之间的同步,
如果对缓冲队列有性能要求, 则可以使用基于CAS无锁设计的ConcurrentLinkedQueue.
分而治之
严格来讲, 分而治之不算一种模式, 而是一种思想.
它可以将一个大任务拆解为若干个小任务并行执行, 提高系统吞吐量.
我们主要讲两个场景, Master-Worker模式, ForkJoin线程池.
Master-Worker模式
该模式核心思想是系统由两类进行协助工作: Master进程, Worker进程.
Master负责接收与分配任务, Worker负责处理任务.
当各个Worker处理完成后, 将结果返回给Master进行归纳与总结.
假设一个场景, 需要计算100个任务, 并对结果求和, Master持有10个子进程.
Master代码
1 public class MasterDemo {
2 // 盛装任务的集合
3 private ConcurrentLinkedQueue<TaskDemo> workQueue = new ConcurrentLinkedQueue<TaskDemo>();
4 // 所有worker
5 private HashMap<String, Thread> workers = new HashMap<>();
6 // 每一个worker并行执行任务的结果
7 private ConcurrentHashMap<String, Object> resultMap = new ConcurrentHashMap<>();
8
9 public MasterDemo(WorkerDemo worker, int workerCount) {
10 // 每个worker对象都需要持有queue的引用, 用于领任务与提交结果
11 worker.setResultMap(resultMap);
12 worker.setWorkQueue(workQueue);
13 for (int i = 0; i < workerCount; i++) {
14 workers.put("子节点: " + i, new Thread(worker));
15 }
16 }
17
18 // 提交任务
19 public void submit(TaskDemo task) {
20 workQueue.add(task);
21 }
22
23 // 启动所有的子任务
24 public void execute(){
25 for (Map.Entry<String, Thread> entry : workers.entrySet()) {
26 entry.getValue().start();
27 }
28 }
29
30 // 判断所有的任务是否执行结束
31 public boolean isComplete() {
32 for (Map.Entry<String, Thread> entry : workers.entrySet()) {
33 if (entry.getValue().getState() != Thread.State.TERMINATED) {
34 return false;
35 }
36 }
37
38 return true;
39 }
40
41 // 获取最终汇总的结果
42 public int getResult() {
43 int result = 0;
44 for (Map.Entry<String, Object> entry : resultMap.entrySet()) {
45 result += Integer.parseInt(entry.getValue().toString());
46 }
47
48 return result;
49 }
50
51 }Worker代码
1 public class WorkerDemo implements Runnable{
2
3 private ConcurrentLinkedQueue<TaskDemo> workQueue;
4 private ConcurrentHashMap<String, Object> resultMap;
5
6 @Override
7 public void run() {
8 while (true) {
9 TaskDemo input = this.workQueue.poll();
10 // 所有任务已经执行完毕
11 if (input == null) {
12 break;
13 }
14 // 模拟对task进行处理, 返回结果
15 int result = input.getPrice();
16 this.resultMap.put(input.getId() + "", result);
17 System.out.println("任务执行完毕, 当前线程: " + Thread.currentThread().getName());
18 }
19 }
20
21 public ConcurrentLinkedQueue<TaskDemo> getWorkQueue() {
22 return workQueue;
23 }
24
25 public void setWorkQueue(ConcurrentLinkedQueue<TaskDemo> workQueue) {
26 this.workQueue = workQueue;
27 }
28
29 public ConcurrentHashMap<String, Object> getResultMap() {
30 return resultMap;
31 }
32
33 public void setResultMap(ConcurrentHashMap<String, Object> resultMap) {
34 this.resultMap = resultMap;
35 }
36 }1 public class TaskDemo {
2
3 private int id;
4 private String name;
5 private int price;
6
7 public int getId() {
8 return id;
9 }
10
11 public void setId(int id) {
12 this.id = id;
13 }
14
15 public String getName() {
16 return name;
17 }
18
19 public void setName(String name) {
20 this.name = name;
21 }
22
23 public int getPrice() {
24 return price;
25 }
26
27 public void setPrice(int price) {
28 this.price = price;
29 }
30 }主函数测试
1 MasterDemo master = new MasterDemo(new WorkerDemo(), 10);
2 for (int i = 0; i < 100; i++) {
3 TaskDemo task = new TaskDemo();
4 task.setId(i);
5 task.setName("任务" + i);
6 task.setPrice(new Random().nextInt(10000));
7 master.submit(task);
8 }
9
10 master.execute();
11
12 while (true) {
13 if (master.isComplete()) {
14 System.out.println("执行的结果为: " + master.getResult());
15 break;
16 }
17 }ForkJoin线程池
该线程池是jdk7之后引入的一个并行执行任务的框架, 其核心思想也是将任务分割为子任务,
有可能子任务还是很大, 还需要进一步拆解, 最终得到足够小的任务.
将分割出来的子任务放入双端队列中, 然后几个启动线程从双端队列中获取任务执行.
子任务执行的结果放到一个队列里, 另起线程从队列中获取数据, 合并结果.
假设我们的场景需要计算从0到20000000L的累加求和. CountTask继承自RecursiveTask, 可以携带返回值.
每次分解大任务, 简单的将任务划分为100个等规模的小任务, 并使用fork()提交子任务.在子任务中通过THRESHOLD设置子任务分解的阈值, 如果当前需要求和的总数大于THRESHOLD, 则子任务需要再次分解,
如果子任务可以直接执行, 则进行求和操作, 返回结果. 最终等待所有的子任务执行完毕, 对所有结果求和.
1 public class CountTask extends RecursiveTask<Long>{
2 // 任务分解的阈值
3 private static final int THRESHOLD = 10000;
4 private long start;
5 private long end;
6
7
8 public CountTask(long start, long end) {
9 this.start = start;
10 this.end = end;
11 }
12
13 public Long compute() {
14 long sum = 0;
15 boolean canCompute = (end - start) < THRESHOLD;
16 if (canCompute) {
17 for (long i = start; i <= end; i++) {
18 sum += i;
19 }
20 } else {
21 // 分成100个小任务
22 long step = (start + end) / 100;
23 ArrayList<CountTask> subTasks = new ArrayList<CountTask>();
24 long pos = start;
25 for (int i = 0; i < 100; i++) {
26 long lastOne = pos + step;
27 if (lastOne > end) {
28 lastOne = end;
29 }
30 CountTask subTask = new CountTask(pos, lastOne);
31 pos += step + 1;
32 // 将子任务推向线程池
33 subTasks.add(subTask);
34 subTask.fork();
35 }
36
37 for (CountTask task : subTasks) {
38 // 对结果进行join
39 sum += task.join();
40 }
41 }
42 return sum;
43 }
44
45 public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
46 ForkJoinPool pool = new ForkJoinPool();
47 // 累加求和 0 -> 20000000L
48 CountTask task = new CountTask(0, 20000000L);
49 ForkJoinTask<Long> result = pool.submit(task);
50 System.out.println("sum result : " + result.get());
51 }
52 }ForkJoin线程池使用一个无锁的栈来管理空闲线程, 如果一个工作线程暂时取不到可用的任务, 则可能被挂起.
挂起的线程将被压入由线程池维护的栈中, 待将来有任务可用时, 再从栈中唤醒这些线程.